• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Naukowcy przybliżają mechanikę kwantową do życia codziennego

    08.04.2011. 17:37
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Międzynarodowy zespół fizyków przedstawił w czasopiśmie Nature Communications dowód na to, że duże molekuły organiczne mają charakter fali kwantowej. Odkrycia mogą stanowić krok naprzód w kierunku redukcji interferencji kwantowej na skalę większą niż udawało się to osiągnąć dotychczas.

    Interferencja kwantowa, sprawiająca że pojedyncze cząstki w formie fali przecinają własną trajektorię i interferują z kierunkiem, w którym się poruszają, jest jedną z najbardziej problematycznych koncepcji teorii kwantowej. Pogłębienie wiedzy na temat takich cząstek jest cenne dla informatyki kwantowej, która znajduje zastosowanie w komputerach kwantowych.

    Podobnie jak światło, materia w odpowiednich okolicznościach wykazuje cechy zarówno fali, jak i cząstek. Jednakże duże obiekty cechują się bardzo niewielkimi długościami fal - na tyle niewielkimi, że raczej bezcelowe jest myślenie o nich w kategorii fal. Niemniej w przypadku innych obiektów, długość fali może być obserwowalna i znacząca, jak wykazały eksperymenty z podwójną szczeliną i wykorzystaniem elektronów.

    Markus Arndt z Uniwersytetu Wiedeńskiego w Austrii wraz z kolegami obserwował fale kwantowe w syntetycznych molekułach organicznych złożonych z 430 atomów. Naukowcy wykazali, że w dużych kompleksach molekularnych o ponad 1.000 wewnętrznych stopniach swobody, może zostać osiągnięta koherencja kwantowa, umożliwiająca interferencję stacjonarną.

    Takie molekuły organiczne są porównywalne pod względem rozmiaru i złożoności do molekuł insuliny i wykazują wiele cech obiektów klasycznych. Mimo to w eksperymencie, który był uproszczoną wersją koncepcji kota Shrödingera, mogły one istnieć nie tyle jako obiekty, co raczej jako mgławice możliwości bycia tu i tam, i wszędzie w tym samym czasie.

    Kiedy naukowcy przyjrzeli się im, możliwości zostały ograniczone do zdefiniowanych pozycji. Podobnie jak kot Shrödingera umieszczony w zamkniętej skrzynce nie jest ani żywy, ani martwy, lecz jest raczej upiorną mieszaniną dwóch możliwości i nie wiadomo, która z nich jest prawdziwa bez sprawdzenia.

    Znaczenie dualizmu cząstki falowej oznacza, że całość zachowania materii można wyjaśnić na podstawie równania różniczkowego, które przedstawia funkcję falową - równania Shrödingera. Możliwość opisu rzeczywistości w formie fal stanowi trzon mechaniki kwantowej.

    Podczas gdy matematyka, choć skomplikowana, przynosi dokładne przewidywania, fizyczne znaczenie tych równań jest znacznie trudniej pojąć. Próba wyjaśnienia, co "tak naprawdę oznacza" dualizm cząstki falowej nadal stanowi kluczowy punkt debaty w fizyce kwantowej. Pozostaje do tego jeszcze następujące pytanie: jak daleko możemy to posunąć?

    W podsumowaniu artykułu czytamy, że odkrycia "otwierają nowe perspektywy przed eksperymentami kwantowymi z nanocząstkami o klasie złożoności porównywalnej do małych białek oraz pokazują, że wykonalne jest stworzenie i utrzymanie wysokiej koherencji kwantowej w [złożonych] układach cieplnych".

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)

    Kropka kwantowa – niewielki obszar przestrzeni ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału, nazywany tak, gdy wewnątrz uwięziona jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Oznacza to, że opis zachowania cząstki musi być przeprowadzony z użyciem mechaniki kwantowej.

    Kropka kwantowa – niewielki obszar przestrzeni ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału, nazywany tak, gdy wewnątrz uwięziona jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Oznacza to, że opis zachowania cząstki musi być przeprowadzony z użyciem mechaniki kwantowej.

    Postulaty mechaniki kwantowej – podstawowe założenia mechaniki kwantowej, na podstawie których została opracowana cała teoria fizyczna i sformułowane ogólne prawa. Jako że mechaniki kwantowej, tak samo jak i innych teorii fizycznych, nie można wyprowadzić ani udowodnić, jej sformułowanie matematyczne oparte jest na szeregu założeń, zwyczajowo nazywanych postulatami. Ostatecznie o ich poprawności świadczy jedynie zgodność z doświadczeniem i wewnętrzna niesprzeczność teorii.

    Relatywistyczna mechanika kwantowa – teoria kwantowa uwzględniająca istnienie skończonej, maksymalnej do osiągnięcia prędkości równej prędkości światła, zarówno dla ruchu cząstek, jak i propagacji oddziaływania. W teorii tej nierelatywistyczne równanie Schrödingera (słuszne dla małych prędkości) zastępowane jest równaniem Kleina-Gordona lub Diraca. Relatywistyczna mechanika kwantowa stosuje kwantowy opis ruchu w czasoprzestrzeni Minkowskiego. Immanentną cechą opisu relatywistycznego mechaniki kwantowej z użyciem równania Diraca jest istnienie spinu. Teoria ta napotyka na liczne problemy interpretacyjne (zitterbewegung, paradoks Kleina, rozwiązania o ujemnej energii) i przez to nie jest teorią spójną. Jej naturalnym uogólnieniem jest kwantowa teoria pola, która w naturalny sposób rozwiązuje większość problemów relatywistycznej mechaniki kwantowej.

    Relatywistyczna mechanika kwantowa – teoria kwantowa uwzględniająca istnienie skończonej, maksymalnej do osiągnięcia prędkości równej prędkości światła, zarówno dla ruchu cząstek, jak i propagacji oddziaływania. W teorii tej nierelatywistyczne równanie Schrödingera (słuszne dla małych prędkości) zastępowane jest równaniem Kleina-Gordona lub Diraca. Relatywistyczna mechanika kwantowa stosuje kwantowy opis ruchu w czasoprzestrzeni Minkowskiego. Immanentną cechą opisu relatywistycznego mechaniki kwantowej z użyciem równania Diraca jest istnienie spinu. Teoria ta napotyka na liczne problemy interpretacyjne (zitterbewegung, paradoks Kleina, rozwiązania o ujemnej energii) i przez to nie jest teorią spójną. Jej naturalnym uogólnieniem jest kwantowa teoria pola, która w naturalny sposób rozwiązuje większość problemów relatywistycznej mechaniki kwantowej.

    Dekoherencja kwantowa, to w mechanice kwantowej proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem. Jest to fundamentalny proces tłumaczący w jaki sposób mechanika klasyczna może być rozumiana jako przybliżenie mechaniki kwantowej. Oddziaływanie z otoczeniem stanowi realizację kwantowego pomiaru, procesu który prowadzi do redukcji funkcji falowej. Dekoherencja zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem. Innymi słowy dekoherencja eliminuje ewentualne splątanie układu kwantowego z otoczeniem. Dekoherencja może być rozumiana jako utrata informacji o układzie wskutek jego oddziaływania z otoczeniem.

    Dekoherencja kwantowa, to w mechanice kwantowej proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem. Jest to fundamentalny proces tłumaczący w jaki sposób mechanika klasyczna może być rozumiana jako przybliżenie mechaniki kwantowej. Oddziaływanie z otoczeniem stanowi realizację kwantowego pomiaru, procesu który prowadzi do redukcji funkcji falowej. Dekoherencja zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem. Innymi słowy dekoherencja eliminuje ewentualne splątanie układu kwantowego z otoczeniem. Dekoherencja może być rozumiana jako utrata informacji o układzie wskutek jego oddziaływania z otoczeniem.

    Dodano: 08.04.2011. 17:37  


    Najnowsze